（微电子学与固体电子学专业论文）实空间转移晶体管的工艺制造与电路模拟.pdf

摘要 实空间转移晶体管是一种新型n 型负阻半导体器件，具有高频、高速、可 控负阻等显著优点，可大大简化集成电路的复杂程度。本论文通过在g a a s 衬底 上，利用分子束外延( m b e ) 技术与半导体器件工艺技术，成功地研制出6 掺 杂型双沟道实空间转移晶体管( r e a ls p a c et r a n s f e rt r a n s i s t o r r s t t ) ，测试结 果显示出该器件具有负阻器件典型的“ ”型负阻1 v 特性和较宽的平坦谷值区。 同时本论文详细地阐述了6 掺杂型双沟道实空间转移晶体管的设计思想、器 件的材料结构设计，重点讨论了6 掺杂型双沟道实空间转移晶体管的工艺制作， 以及器件的材料结构参数和工艺制作对器件的负阻性能的影响。同时，还详细阐 述双沟道实空间转移晶体管的电路模拟寄程序和设计思路以及存在的问题等，并 展望了今后该类器件的研究方向。 本文的主要内容有： 在器件材料结构方面，6 掺杂型双沟道实空间转移晶体管是在考察了早期的 实空间转移( r s t ) 器件，并且参考了速度调制晶体管( v m t ) 的双沟道工 作原理的基础之上设计并制备出来的。在具体的器件材料结构上，设计了帽 层( c a p 层) 厚度d 2 = 5 0 n m ，d 2 = 3 0 n m 不同的两种结构。在材料外延制备上， 先后制作了6 掺杂的时间分别为2 0 s e c 和3 3 s e c 的两批材料。 在器件工艺制作方面，对r s t t 的半导体器件工艺进行详细的阐述。其主要 工艺包括器件隔离，电极金属的淀积，源漏电极合金等方面。在制作过程中 对器件隔离与电极合金进行了严格的监测，达到了精确控制的目的。 在电路模拟方面，对单管的6 掺杂型双沟道实空间转移晶体管进行了合理的 电路模型设计和改进，与实际测量结果相对照得出了较好的对比结果。 关键词：实空间转移晶体管，速度调制晶体管，高电子迁移率晶体管，h s p i c e 电路模拟 a b s t r a c t t h er e a ls p a c et r a n s f e rt r a n s i s t o ri so n eo fn e wns t y l ed y n i s t o r i th a st h eh i g h f r e q u e n c y , h i g hv e l o c i t y , c o n t r o l l e da n dp r e d i g e s tt h ec i r c u i tc o m p l i c a t i o n i nt h i s p a p e lt h er e a ls p a c et r a n s f e rt r a n s i s t o ro f8 - d o p e dg a a s i n g a a sg a t e dd u a l c h a n n e l s t r u c t u r eh a sb e e nd e s i g n e da n df a b r i c a t e ds u c c e s s f u l l y ，w h i c hh a sb e e ng r o w no n g a a ss u b s t r a t eb ym o l e c u l a rb e a me p i t a x y t h es t a n d a r dp h o t o l i t h o g r a p h ya n dl i f t - o f f t e c h n i q u e sh a v eb e e ne m p l o y e df o rd e v i c ef a b r i c a t i o n 。i th a st h es t a n d a r d “人”s h a p e n e g a t i v er e s i s t a n c ei - vc h a r a c t e r i s t i c sa sw e l la sal e v e la n ds m o o t hv a l l e yr e g i o nt h a t t h ec o n v e n t i o n a ln e g a t i v ed i f f e r e n t i a lr e s i s t a n c ed e v i c eh a se v e rs h o w n t h et h e s i si n t r o d u c e dt h ed e s i g ni d e a ，m a t e r i a l ss t r u c t u r ed e t a i l e d l y ，t h ef a b r i c a t i o n o f8 - d o p e dg a a s i n g a a sg a t e dd u a l c h a n n e ls t r u c t u r er s t th a sb e e ne x p l a i n e di n d e t a i la n dt h ei vc h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e nm e a s u r e d t h er e l a t i o n s h i po fp a r a m e t e r s o fm a t e r i a l ss t r u c t u r ea n dt h ep a r a m e t e r so fn e g a t i v ed i f f e r e n t i a lr e s i s t a n c eo fr s t t a l s oh a sb e e nd i s c u s s e d a tt h es a m et i m e ，t h et h e s i sa l s oi n t r o d u c e dt h ec i r c u i t s i m u l a t i o no fr s t t , i n c l u d i n gt h ed e s i g ni d e ao fc i r c u i ts i m u l a t i o na n dt h eq u e s t i o n s a n dv i e w i n gt h er e s e a r c ha b o u tt h i sk i n do fd e v i c e t h ew o r ko ft h i st h e s i sh a sb e e ns h o w n ： t h ep s e u d o m o r p h i c8 - d o p e dg a a s i n g a a se p i t a x ys t r u c t u r eo fr s t th a sb e e n g r o w no ng a a ss u b s t r a t eb ym b es u c c e s s f u l l y ，t a k i n ga c c o u n to ft h eo p e r a t i o n o fe a r l i e rr e a ls p a c et r a n s f e rt r a n s i s t o ra n dt h ed u a l c h a n n e li d e ao fv e l o c i t y m o d u l a t i o nt r a n s i s t o r t w oc a t e g o r i e so fr s t th a v eb e e ng r o w nw i t hd i f f e r e n t 3 - d o p e dt i m ei no r d e r l y b o t ht w oc a t e g o r i e sh a v et w ok i n d sm a t e r i a ls t r u c t u r e s ， w h i c ha r ed i f f e r e dt oe a c ho t h e rb yt h et h i c ko ft h ec a pf i l m ( d 2 = 5 0 n m ，d 2 = 3 0 n m ) t h em e s ai s o l a t i o no fr s t tu s i n gw e te t c h i n gi sd i s c u s s e di np a r t i c u l a r t h e t e m p e r a t u r ea n dt i m eo fs i n t e r i n ga r eg i v e no nt h ef o u n d a t i o n o fe x p e r i m e n t r e p e a t e d l y t h ee v a p o r a t i o na n ds p u t t e ra r es e l e c t e dt of o r ms c h o t t k yc o n t a c ta n d o h m i cc o n t a c t a tt h ec i r c u i ts i m u l a t i o n i nt h et h e s i si ti n t r o d u c e dt h es i m u l a t i o nw a ya b o u t f i - d o p e dg a a s l n g a a se p i t a x ys t r u c t u r eo fr s t ta n ds e tu pr e a s o n a b l ec i r c u i t m o d e la n di m p r o v ei t a tt h es a m et i m e ，d o i n gs o m ec o n t r a s t sw i t ht h er e a lc i r c u i t t e s t i n gr e s u l t s k e yw o r d s ：r e a ls p a c et r a n s f e rt r a n s i s t o r ( r s t t ) ，v e l o c i t ym o d u l a t i o nt r a n s i s t o r ( v m t ) ，h e m t , h s p i c ec i r c u i ts i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盎堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名! 严苛 签字日期：2 硝年月乡目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 孚案新虢蟛p 签字日期：o 啭年步月乡日签字日期：矗棚9 年多月多 日 第一章引言 第一章引言 1 1 课题研究背景及国内外发展 随着集成电路的发展，微电子学的一个重要研究方向是发展新型器件，以一 个或几个器件完成通常多个晶体管组合才能具有的逻辑功能。因此，如何提高集 成度已成为一个世界性难题，解决的办法有两种，即通过新工艺减小单个器件尺 寸和发展新型功能器件。在过去的数十年间，各种各样的负阻器件相继出现，并 广泛用于多值逻辑电路、频率放大器、微波发生器，高频振荡器、高速开关、触 发器、高速刖d 转换器、存储器件等诸多方面，不但提高了电路性能，而且大 大减少了所需器件数目，简化了电路的复杂程度，已成为电子学研究的一个重要 领域。其中，n 型负微分电阻( n e g a t i v ed i f f e r e n t i a lr e s i s t a n c e ，简称n d r ) 器 件作为研究重点之一，因其具有自锁性能，可大幅度简化集成电路的复杂程度， 并具有多种特殊实用功能，受到国内外学者的高度重视。 实空间转移晶体管的设计思路来源于高电子迁移率晶体管h e m t t lj ( h i g h e l e c t r o n m o b i l i t y t r a n s i s t o r ) 又称调制掺杂场效应晶体管m o d f e t ( m o d u l a t i o n d o p e df i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ) ，h e m t 是2 0 世纪8 0 年代初发展起 来的一种新型异质结半导体器件，它的诞生源于对超晶格材料的研究和认识。 1 9 7 8 年美国b e l l 实验室的r d i n g l e 等首次在分子束外延( m b e ) 生长的调制掺 杂g a a s a i g a a s 超晶格中观察到了相当高的电子迁移率，并指出这主要是由于 在本征g a a s 层的表面上形成了基本上不受电离杂质散射的2 维电子气( 2 d e g 一 2d i m e n s i o ne l e c t r o ng a s ) 的缘故。将这种高电子迁移率的优良特性应用于场效 应器件，1 9 8 0 年日本富士通公司的三村等人成功地研制出了h e m t 。 实空间转移晶体管即是将h e m t 与负阻的结合，研制出负阻型h e m t ，既 保持了原h e m t 高频、高速的特点，又具有负阻、双稳、自锁等特性，且可与 常规的h e m t 或其它化合物高速器件集成在一起，构成多种功能的高速集成电 路。它将是半导体负阻器件在新材料、新结构和新应用领域方面的进一步延伸1 2 】。 实空间转移晶体管( r e a ls p a c et r a n s f e rt r a n s i s t o r ，简称r s t t ) 1 3 4 是利用 热电子的高能量从沟道越过势垒层转移到第二导电层，使漏极电流发生分流效应 而产生负阻特性的一种异质结场效应负阻器件。r e a ls p a c e 的含义是区别于动量 空间( m o m e n t u ms p a c e ) 而言的，如利用耿氏效应( g u n ne f f e c t ) 制作的电子 第一章引言 转移器件就是利用电子在动量空间转移实现的。实空间转移( r s t ) 的概念首先 由g r i b n i k o v c 提出，他报道了通过电子在相邻层中的转移而在异质结中产生负 微分电阻的可能性。h e s s 等发展了g a a s a 1 g a a s 异质层中r s t 效应概念，提出 了基于高迁移率g a a s 层和低迁移率a i g a a s 层之间的热电子转移设想，电子在 迁移率不同的导电沟道发生转移，从而产生负阻。1 9 8 3 年，k a s m l s k y 和l u 口i 制作了首个r s t 器件，并定名为c h i n t ( 电荷注入晶体管) 。应该说，实空间 转移是一种普遍存在的现象，在异质结构绝缘栅场效应晶体管( h i g f e t ) 、高电 子迁移率晶体管( h e m t ) 、金属半导体场效应晶体管( m e s f e t ) 中均可能存在因 r s t 而产生的负阻现象 5 引。但对于以上器件的一般应用，r s t 是不受欢迎的， 会影响器件的电学性能，在设计时应尽量避免。因其电学性能的特殊性，实空间 转移晶体管被施敏等学者誉为一种有趣的器件，并认为实空间转移器件可作为其 它技术的补充，具有非常大的应用潜力。 目前在国外和台湾，一些结构的r s t t 已有所研制，在9 0 年代已经进入大 学微电子专业的课程。遗憾的是，大陆学者对该类器件的认知度并不高，尚无该 类器件研制成功的报道。 在这种背景下，天津大学电信学院微电子技术系新型器件研究小组提出了 “新型低维结构功能器件和三端逻辑功能器件课题得到国家重点基础研究计划 项目( 9 7 3 ) ( 基金项目号2 0 0 2 c b 3 1 1 9 0 5 ) 的资助。项目拟通过器件模拟和实际 器件制作相结合的方式，在国内率先开展与h e m t 工艺兼容的新型化合物高速 高频三端负阻器件的研究，设计研制出几种性能优良的r s t t ，对负阻形成机制 进行了分析，并探索其在高速电路中的应用。本论文的研究内容正是在上述课题 的要求下开展并完成的。 1 2 负阻器件相关知识简介 1 2 1 化合物半导体相关知识 当分子与分子要结合形成化和物时，两个分子的四周，价电子数总和必须是 8 个价电子，如此才能形成稳定的状态。半导体可以分为元素半导体( s i ，g e 等) 和化合物半导体( g a a s ，g a p ，l n ea i g a a s 等) 两种。v 族化合物指的是由周期 表中+ 3 价的硼，铝，镓，铟，铊和+ 5 价的氮，磷，砷，铋等元素所组成的化 合物半导体。其中以砷化镓( g a a s ) 研究较为成熟，应用较广泛。 化合物半导体不同于硅半导体的性质主要有两点：一是化合物半导体的电子 迁移率较硅快许多，因此适用于高频传输，在无线通讯如手机，基地台，无线区 第一章引言 域网络，卫星通讯，卫星定位等皆有应用；二是化合物半导体具备有效率光电转 换特性，这是硅半导体所没有的，因此化合物半导体可运用在光电转换领域，如： 发光二极管( l e d ) ，雷射二极管( l d ) ，光接收器( p 玳) 及太阳电池等产品。 具体比较如下表： 表1 一i 砷化镓与硅特性比较 砷化镓( g a a s )硅( s i ) 最大频率范围 2 - - 3 0 0 g h z 极具远程通讯需求l g h z 以下 最大操作温度摄氏2 0 0 度 摄氏1 2 0 度 电子迁移率呙低 抗辐射性局低 具光能商低 高频下使用杂讯少杂讯多，不易克服 功率耗损低局 元件大小 小大 元件工作效率 同低 1 2 2 半导体异质结相关知识 半导体异质结是由两种不同的半导体材料做成一块单晶，结两边的导电类型 由掺杂来控制。掺杂类型相同的称为“同型异质结”( n n 或p p 结) 9 1 ，掺杂类 型不同的称为“异型异质结”( n p 或p n 结) 。由于两种材料禁带宽度不同，因 此异质结可以表现出不同于同质结的特性，在器件设计上将得到某些同质结不能 实现的功能。譬如说，在异质结晶体管中用宽带一侧做发射极会得到很高的注入 比，因此可获得较高的放大倍数。还有，如果在异质结中两种材料的过渡是渐变 的，则禁带宽度的渐变就相当于存在着一个等效电场，使载流子的渡越时间减小， 器件的响应速度增加。禁带宽度的渐变也能使作用在电子和空穴上的力方向相 反，因而能分别控制电子和空穴的运动。另外，同型异质结是一种多数载流子器 件，速度比少子器件高，更适合做成高速开关器件。 异质结的研究1 9 o j 开始于上世纪6 0 年代，对异质结的能带图、载流子在异 质结中的输运过程以及异质结的光电特性等提出了各种物理模型并做了理论计 算，研究较多的为g e s i ，g e g a a s 及其他v 族异质结。但由于工艺条件的限 制，早期生长的异质结界面缺陷较多，无法制成性能较好的异质结器件。7 0 年 代，异质结的生长工艺技术取得巨大进步，液相外延( l p e ) 、气相外延( v p e ) 、 第一章引言 金属有机化学气相沉积( m o c v d ) 和分子束外延( m b e ) 等先进的材料生长 方法出现，使异质结的生长日趋完善。分子束外延不仅能生长出很完整的异质结 界面，而且对异质结的组分、掺杂、各层厚度都能在原子级的范围内精确控制。 工艺技术的进步推动了异质结研究的进展，在异质结器件方面，目前对h b t 双极晶体管【l 卜心j ，高电子迁移率晶体管( h e m t ) 等的研究已趋于深入。异质结 半导体器件将在半导体器件，光电子器件，集成光学和集成电路等领域内广泛的 发挥作用。 半导体异质结的能带图【l3 l 是分析异质结结构特性的重要基础。所谓能带图就 是异质结界面两侧的导带最低极值和价带最高极值的能量随坐标的变化。图1 1 示为两种不同禁带宽度的半导体在未组成异质结之前的能带图，最上面的横线代 表真空能级，它表示电子跑出半导体外进入真空中所必须具有的最低能量。真空 能级对所有的材料应是相同的。半导体导带底的能量离这个能级还很远。导带底 的电子要想跑出体外必须增加的这部分能量称为电子亲和势z 。这个量因材料的 种类而异，决定于材料本身的性质，和其他外界因素无关。所以当两种材料组合 成异质结时，它们导带底的位置差应该是 皈2 石一筋( 1 - 1 、 这就是所谓的“a n d e r s o n 定则”，e c 称为导带带阶( o f f s e t ) 。按照这一定律e c 应该只由两种材料本身的性质决定。价带底的位置差因该是 a e y = 皈一皈= 峨l a e2 一皈、 、j ， 其中e 。1 和e r , 2 分别为两种半导体材料的禁带宽度，e d 和e a 分别表示施主杂质 和受主杂质的能级位置。e f 是费米能级的位置。由费米能级到真空能级的距离 称为脱出功。这个量除了和材料的种类有关外还和掺杂情况有关。 - z 2 协l 工 - - 一蜀 磊? 、i 】 图卜1 未组成异质结前半导体的能带图 第一章引言 组成异质结后，由于两种材料的费米能级不同，电子从高费米能级材料流向 低费米能级材料，形成p n 结势垒。形成异质结时，能带在界面处间断，在势垒 一侧出现尖峰，另一侧出现峡谷( 图1 2 ) 。 ll1 、 譬t譬-卫 图1 2 组成异质结后的理想突变异质结能带图 异质结p n 结注入比： 五：盟丝p 笺竽( 1 3 ) 。 jp d p l 。n4 如果n 型区的带隙宽度大于p 型区带隙宽度，即使两边掺杂浓度差不多时， 可以获得很高的注入比。异质结的注入比决定晶体管的电流放大系数、激光器的 注入效率和阈值电流。 1 2 3 转移电子效应 转移电子效应【1 4 j 是导带电子从高迁移率的能谷向低迁移率的高能次能谷转 移的效应。具体可变现为微分负电阻率，而造成体微分负电阻率的物理原因有很 多。最重要的例子之一是谷间载流子输运产生转移电子效应在半导体内任何 一点载流子密度随机涨落产生随时间指数增长的瞬态空间电荷，从而表现出体微 分负电阻率的半导体有固有的不稳定性。一维连续方程为： 竺+ 三坐：0(1-4)o4 + 一= ( a t qa ) c 若多数载流子偏离均匀平衡浓度r l o 有一小的局域涨落，则建立的局域空间电荷 密度为( n n o ) 。泊松方程和电流密度方程为： 第一章引言 鱼；q ( n - n o ) ( 1 5 ) 一= 一 - - 】j 叙 占。 ，：吻一q d a n ( 1 6 ) 式中，疋为介电常数，p 为电阻率，d 为扩散系数。 将方程( 1 7 ) 对x 微分并代入泊松方程，得到： 三型：竺旦一d 堕( 1 - 7 ) q 瓠p 。 瓠： 将( 1 7 ) 代入方程( 1 。5 ) ，得到： 一o n - 4 尘丑一d 堡：0 ( 1 - 8 ) a t p s e 瓠。 方程( 1 - 8 ) 可用分离变量法求解。对于空间响应，方程( 1 8 ) 有下面的解： 聆一n o = 伽一n o ) ，= o e x p ( 一x l d ，) ( 】一9 ) 式中，l d 为德拜长度，用下式表示： 小臁 似 此值决定了小的非平衡电荷衰减的距离。 对于时间响应，方程( i - 8 ) 的解为： 一1 1 d = 伽一聆o ，卸e x p ( 一所月j ( 1 - 1 1 ) 式中，f 。为介质驰豫时间，用下式表示： r 凡兰p s 。= 。q u q 。q m o ( 1 - 1 2 ) 若微分电阻率( 或微分迁移率斗) 为正，介质驰豫时间就代表空间电荷衰减到电 中性的时间常数。然而，若半导体表现出微分负电阻率，则任何电荷不平衡将以 等于lf 。l 的时间常数增长而非衰减。 体微分负电阻率器件可分成两类：电流控制型微分负阻( s 型) 和电压控制 型微分负阻( n 型) 。这两类器件的电流密度与电场的般特性曲线分别示于图 1 3 ，图1 4 【1 4 】。图1 5 ，图1 - 6 表示从零偏置到负阻区开始出现时的相应微分电 阻率( 霎) 。对于电流控制型微分负阻，电流可取多值；对于电压控制型微分负 阻，电场可取多值。 第一章引言 l l l 。 ”盈 i _ n 卸壅： 图1 3 电流控制型负阻特性图1 _ 4 电压控制型负阻特性 户， 图1 5 电流控制型微分电阻率图1 - 6 电压控制型微分电阻率 负阻器件的